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Formazione

OSSERVARE NUOVI STATI DELLA MATERIA NEI FLUIDI DI LUCE

Lo stato dell’arte e le prospettive di ricerca sugli effetti topologici in fotonica al centro dell’ottava edizione della scuola invernale di opto-elettronica e fotonica promossa dall’Università di Trento

11 aprile 2015
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di Iacopo Carusotto
Ricercatore presso il Centro BEC dell'INO-CNR e docente di Quantum Optics presso l’Università di Trento.

Dal 16 al 20 marzo presso lo Sport Hotel Panorama di Fai della Paganella si è tenuta l'ottava edizione della Scuola Invernale di Opto-Elettronica e Fotonica. Fondata nel 2001 dal laboratorio di Nanoscience dell’Università di Trento e organizzata con cadenza biennale, questa Scuola si è ormai affermata come un appuntamento tradizionale nel panorama della fisica trentina. Ogni edizione copre un argomento diverso scelto fra le tematiche di ricerca attualmente più calde in ottica e in fotonica: il tema di questa ottava edizione è stato "Topological Effects in Photonics", riassunto nell'acronimo TOPOLIGHT 2015, e gli organizzatori sono stati Iacopo Carusotto (INO-CNR BEC Center e Università di Trento), Mohammad Hafezi (JQI, Università del Maryland, USA) e Alberto Amo (LPN-CNRS, Marcoussis, Francia). Un generoso sostegno economico è stato offerto dal Dipartimento di Fisica di UniTrento, dall'LPN-CNRS tramite il grant ERC "HONEYPOL", e dai nodi UniTrento e INO-CNR del Grande Progetto PAT "On Silicon Chip Quantum Optics for Quantum Computing and Secure Communications - SiQuro".

È noto che per vincere un premio IgNobel bisogna combinare fantasia e rigore. Queste doti non comuni sono state alla base di fondamentali ricerche che hanno portato alla levitazione magnetica delle rane e alla misura della forza di attrito fra scarpa, buccia di banana e pavimento. Altre sfide altrettanto avvincenti non possono invece andare a buon fine, come per esempio il tentativo ardito di pettinare un riccio: ci sono infatti teoremi fondamentali di topologia matematica che dimostrano come questo sia effettivamente impossibile; in qualunque modo uno proceda, resterà sempre almeno un punto sulla cute della bestiola in cui la direzione degli aghi è discontinua, cioè un ciuffo ribelle. Analogamente si può dimostrare che certi nodi non possono essere sciolti senza ricorrere a un coraggioso colpo di spada che tagli la fune.

Ma cosa hanno in comune i parrucchieri per ricci, i nodi da marinaio, e i fisici che si interessano di dispositivi fotonici? Dopo una settimana di intense lezioni, gli studenti della scuola TOPOLIGHT 2015 sono ormai dei veri esperti di queste questioni.

A partire dagli anni Ottanta i ricercatori che si occupano di fisica della materia si sono resi conto che certe grandezze fisiche legate alla conduzione elettrica in presenza di forti campi magnetici possono assumere solo valori esprimibili con numeri interi o, in situazioni ancora più particolari, numeri razionali. Una spiegazione molto elegante di questa inattesa "quantizzazione della conduttanza", nota come effetto Hall quantistico, si basa sui cosiddetti "invarianti topologici" del sistema, vale a dire quantità il cui valore resta esattamente invariato anche quando il sistema subisce modificazioni, purché queste non siano eccessivamente grandi.

Una spiegazione esaustiva del significato di questi invarianti va oltre questo breve articolo, ma un'idea generale può essere facilmente compresa con un semplice esempio geometrico: il numero di buchi di una superficie bidimensionale chiusa è un esempio di invariante topologico, il cui valore è zero per una superficie sferica, uno per una ciambella, ecc. È facile convincersi che è impossibile variare il numero di buchi senza lacerare la superficie.
Sulla scia dei risultati pionieristici ottenuti con l'effetto Hall quantistico, la ricerca sulle proprietà topologiche della materia ha avuto un impressionante sviluppo, con l'identificazione di altri materiali con inaspettate proprietà. Potenziali ricadute tecnologiche sono attese nelle applicazioni alla computazione quantistica: l'esistenza di quantità topologicamente protette dalle perturbazioni suggerisce infatti la possibilità di memorizzare ed elaborare bit di informazione quantistica - i cosiddetti qubit - in maniera immune dai disturbi esterni. Mentre un computer ordinario si basa su bit che possono valere 0 o 1, un computer quantistico ammette stati intermedi, in cui un qubit può assumere simultaneamente i due valori 0 e 1: grazie a questa bizzarra proprietà della realtà quantistica, la complessità di molti calcoli potrà risultare enormemente ridotta, per esempio la fattorizzazione di grandi numeri interi. Se da un lato questo renderà vulnerabili le più comuni tecniche crittografiche, dall'altro lato la meccanica quantistica offre nuovi protocolli di comunicazione assolutamente sicuri da intrusioni.
A partire dalla metà degli anni 2000 queste idee di meccanica quantistica topologica hanno iniziato a filtrare nel campo dell'ottica e si è così aperto un mondo di potenziali applicazioni a dispositivi per la trasmissione e l'elaborazione dell'informazione con mezzi puramente ottici. 

Il primo passo concreto è stato quello di prendere ispirazione dal moto degli elettroni in forte campo magnetico per sviluppare piattaforme per la propagazione unidirezionale della luce: in opportuni materiali artificiali, la luce può propagarsi solo sul bordo della struttura e, cosa ancora più intrigante, solo in una direzione. Questa specie di "diodo" ottico si comporta quindi come una strada a senso unico per la luce: una proprietà di grande interesse per le applicazioni opto-elettroniche, in quanto permette di isolare una parte del circuito ottico da tutto ciò che le sta intorno.

La fisica diventa ancora più interessante quando il materiale di cui è fatto il dispositivo è capace di far interagire fra loro i quanti di luce, i cosiddetti "fotoni". In questo caso i fotoni finiscono per comportarsi come particelle materiali che collidono continuamente fra loro e iniziano a mostrare tutti quei fenomeni collettivi tipici di un fluido di materia quale l'aria o l'acqua. Negli ultimi anni sono state messe in evidenza varie proprietà interessanti di questi "fluidi di luce", quali la capacità di scorrere senza attrito attorno ad un ostacolo - la cosiddetta "luce superfluida".

Il prossimo passo sarà quello di approfondire ulteriormente le analogie tra le leggi che governano gli elettroni in forti campi magnetici e quelle che descrivono i fluidi di luce e la propagazione unidirezionale della luce. Mescolando opportunamente questi concetti, i ricercatori sono fiduciosi di osservare nuovi stati della materia nel fluido di luce e, chissà, contribuire alla realizzazione di nuove piattaforme per l'elaborazione quantistica dell'informazione.

Ma per muoversi in queste affascinanti direzioni è necessario che la prossima generazione di giovani ricercatori sia capace di mettere in campo un arsenale di tecniche interdisciplinari che vanno dalla fisica della materia, a rudimenti di topologia e geometria differenziale avanzate, all'ottica quantistica, ai dispositivi elettronici e opto-elettronici. Questa era l'idea di fondo che ha ispirato l'organizzazione della scuola TOPOLIGHT 2015. Il riscontro della comunità internazionale a questa proposta è stato molto positivo, con circa 50 partecipanti a livello di dottorato o di post-dottorato provenienti da 11 nazioni e 12 insegnanti delle più prestigiose università che si sono fermati per vari giorni presso la scuola e sono stati impegnati in intense discussioni con i partecipanti. Visto il successo dell'evento e il rapido sviluppo del campo, si sta già pensando una seconda edizione di TOPOLIGHT attorno al 2017.